Nyt design reducerer omkostningerne, energibehov til drypvanding, bringer systemerne inden for rækkevidde for flere landmænd

Mange gårde i tørkeudsatte regioner i USA er afhængige af drypvanding som en vandbesparende metode til at dyrke afgrøder. Disse systemer pumper vand gennem lange tynde rør, der strækker sig over gårdens marker. Hundredvis af dime-størrelse drypper langs længden af ​​hvert rør drypper vand direkte på en plantes base. En landmand kan kontrollere timingen og mængden af ​​vanding, leverer kun så meget vand, som en afgrøde kræver.

Drypvanding kan reducere en gårds vandforbrug med så meget som 60 procent og øge afgrødeudbyttet med 90 procent, sammenlignet med konventionelle kunstvandingsmetoder. Men disse systemer er dyre, især i off-grid miljøer, hvor de koster landmænd mere end $3, 000 pr. hektar at installere.

Nu har ingeniører ved MIT fundet en måde at reducere omkostningerne til solcelledrevne drypsystemer med det halve, ved at optimere drypperne. Desuden, disse nye drypper kan halvere den pumpekraft, der kræves for at vande, sænke energiregningen for landmændene. Holdet ændrede dryppernes dimensioner på en måde, der væsentligt reducerer det nødvendige tryk for at pumpe vand gennem hele systemet, mens den stadig leverer den samme mængde vand.

Holdet, ledet af Amos Winter, en adjunkt i maskinteknik, planer om yderligere at ændre systemet opstrøms, optimering af slangen, filtre, pumper, og solenergisystem for i sidste ende at gøre drypvanding overkommelig for landmænd i udviklingsregioner i verden.

"Mange småbønder i Indien tjener kun et par hundrede dollars om året, så et drypvandingssystem er langt uden for deres prisniveau, " siger Amos. "Lavprisdrypsystemer kan hjælpe dem med at øge deres udbytte og indkomst, så de kan komme ud af fattigdommens cirkel."

Holdet har offentliggjort sin tekniske teori om drypperdesign i PLOS One . Avisens medforfattere er hovedforfatter og kandidatstuderende Pulkit Shamshery, tidligere MIT postdoc Ruo-Qian Wang, og bachelor Davis Tran.

"Sølvkuglen"

I dag, landmænd i Indien og andre udviklingslande i verden dyrker hovedsageligt afgrøder ved hjælp af oversvømmelsesvanding, en gammel, lavteknologisk metode, der involverer oversvømmelse af marker med omdirigeret flod eller grundvand. Selvom denne metode er billig, landmænd har ringe kontrol over, hvornår og hvor meget de skal vande deres afgrøder. Oversvømmelsesvanding er også ineffektivt, da det meste af det vand, der ikke optages af planter, enten fordamper eller drænes væk.

"Sølvkuglen her er drypvanding ... men det er ublu dyrt, " siger Winter. "Den vigtigste omkostningsfaktor er pumpen og strømsystemet. Det lagde grundlaget for vores forskningsprojekt:Kunne vi lave dryppere, der opererer på meget lavere tryk, og dermed reducere pumpekraften og kapitalomkostningerne?"

At gøre dette, forskerne satte sig for at karakterisere adfærden af ​​eksisterende "trykkompenserende" dryppere - drypper designet til at opretholde en konstant flowhastighed, uanset det indledende vandtryk, der påføres. En sådan funktion gør det muligt for hver drypper langs et rør at levere den samme vandstrøm gennem en gårdmark, uanset hvor langt væk en individuel drypper er fra den centrale pumpe.

De fleste konventionelle drypvandingssystemer er designet til at betjene drypperne ved et tryk på mindst 1 bar. For at opretholde dette tryk kræver det energi, som udgør hovedkapitaludgiften i off-grid drypvandingssystemer, og de primære tilbagevendende omkostninger i on-grid systemer. Winter og Shamshery havde til formål at designe trykkompenserende drypper til at fungere ved 0,1 bar - en tiendedel af trykket i kommercielle systemer. Denne reduktion kan halvere både den effekt, der kræves til at pumpe vand gennem drypperne, og kapitalomkostningerne ved et off-grid drypsystem.

Udviklende dryp

Holdet satte sig for at karakterisere funktionerne i drypperne, der producerer en trykkompenserende effekt. At gøre dette, de genererede først en model af en konventionel trykkompenserende drypper i MatLab, et numerisk computerprogram, der gør det muligt for forskere at ændre dimensionerne af en model for at frembringe en ændring i adfærd. I dette tilfælde, Shamshery studerede dynamikken i vand, der strømmer gennem den modellerede drypper, og kom så med en matematisk beskrivelse for at forklare, hvordan en dryppers indre funktioner påvirker væskeflow og vandtryk.

Shamshery koblede derefter den matematiske model med en genetisk algoritme - et computerprogram, der simulerer evolution af, I dette tilfælde, forskellige parametre i en drypper. For eksempel, holdet valgte en række dimensioner for visse funktioner og testede deres flowadfærd i simulering. De kasserede de dimensioner, der frembragte uønsket vandtryk, og beholdt de bedre performere, som de førte tilbage til algoritmen med et nyt sæt dimensioner.

"Vi lader dette udvikle sig gennem flere generationer, " Shamshery forklarer. "Du ender med at udtrykke de funktioner og geometrier, der giver dig god ydeevne, og du dræber de funktioner, der giver dig dårlig ydeevne."

De udviklede drypperens dimensioner til en geometri, der producerede en optimal strømningshastighed med et starttryk så lavt som 0,15 bar. Ved at bruge disse optimale dimensioner, holdet fremstillede et par dripper-prototyper og testede dem i laboratoriet, med resultater, der matchede deres simuleringer.

Går på sol

Winter arbejder nu med det amerikanske agentur for international udvikling (USAID) og Jain Irrigation, en stor producent af drypvandingssystemer, at teste de optimerede drypper i Marokko og Jordan, hvor han siger, at der er et skub for at flytte landmændene til drypvanding.

"Med disse drypper, fattige landmænd kan nu dyrke afgrøder af højere værdi, som afgrøder uden for sæsonen, som de ikke kunne dyrke, medmindre de havde regn, og tjene flere penge for at prøve at komme ud af fattigdom, " siger Winter. "På steder som Californien, med en historie med blackouts, det betyder ikke kun mindre vandforbrug, men mindre energi [brugt] til landbruget."

Næste, holdet planlægger at optimere resten af ​​drypvandingssystemet, hvilket vil reducere systemets omkostninger yderligere. Forskerne vil pilotere solcelledrevne drypvandingssystemer i Jordan og Marokko med USAID i de kommende to år.

"Det viser sig, at der er et massivt uudnyttet marked i situationer uden for nettet, " siger Winter. "Hvis du ser på udviklingslandene, der er omkring en halv milliard små landbrug med 2,5 milliarder mennesker. For dem, denne teknologi kunne være en game-changer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.